存儲器單元、半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)、存儲器系統(tǒng)及制作方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示存儲器單元。所述存儲器單元內(nèi)的磁性區(qū)包含磁性子區(qū)與耦合器子區(qū)的交替結(jié)構(gòu)。所述耦合器子區(qū)的耦合器材料以反鐵磁方式耦合相鄰磁性子區(qū)，且實現(xiàn)或促進所述相鄰磁性子區(qū)所展現(xiàn)的垂直磁性定向。通過耦合器子區(qū)彼此間隔開的相鄰磁性子區(qū)展現(xiàn)相反指向的磁性定向。所述磁性子區(qū)及耦合器子區(qū)可各自為經(jīng)定制而以緊湊結(jié)構(gòu)形成所述磁性區(qū)的厚度?？蓽p少或消除從所述磁性區(qū)發(fā)射的磁性偶極場之間對所述存儲器單元中的自由區(qū)的切換的干擾。本發(fā)明還揭示半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)、自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁性隨機存取存儲器STT-MRAM系統(tǒng)及制作方法。
【專利說明】存儲器單元、半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)、存儲器系統(tǒng)及制作方法
[0001] 優(yōu)先權(quán)豐張
[0002] 本申請案主張于2012年6月19日提出申請的名為"存儲器單元、半導(dǎo)體裝置結(jié) 構(gòu)、存儲器系統(tǒng)及制作方法（Memory Cells，Semiconductor Device Structures，Memory Systems，and Methods ofFabrication)"的序號為13/527, 262的美國專利申請案的申請 日期的權(quán)益。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 在各種實施例中，本發(fā)明大體來說涉及存儲器裝置設(shè)計及制作的領(lǐng)域。更特定來 說，本發(fā)明涉及表征為自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁性隨機存取存儲器（STT-MRAM)單元的存儲器單元 的設(shè)計及制作。

【背景技術(shù)】
[0004] 磁性隨機存取存儲器（MRAM)是基于磁阻的非易失性計算機存儲器技術(shù)。一種類 型的MRAM單元是自旋扭矩轉(zhuǎn)移MRAM(STT-MRAM)單元，例如圖1中所圖解說明的STT-MRAM 單元。常規(guī)STT-MRAM單元包含由襯底102支撐的磁性單元核心100。磁性單元核心100包 含至少兩個磁性區(qū)，舉例來說，"固定區(qū)"130及"自由區(qū)170"，其中非磁性區(qū)160在其之間。 一或多個下部中間區(qū)120及一或多個上部中間區(qū)180可分別安置于磁性單元核心100結(jié)構(gòu) 的磁性區(qū)（例如，固定區(qū)130及自由區(qū)170)下方及上方。
[0005] 經(jīng)配置以展現(xiàn)垂直磁性各向異性（"PMA"）的STT-MRAM單元包含具有固定垂直磁 性定向的固定區(qū)130且包含具有在單元的操作期間在"平行"配置（圖1)與"反平行"配置 (圖2)之間切換的垂直磁性定向的自由區(qū)170。在平行配置（圖1)中，自由區(qū)170的磁性 定向171是基本上沿與固定區(qū)130的磁性定向131相同的方向（例如，南或北）指向，從而 跨越磁阻元件（即，固定區(qū)130及自由區(qū)170)給出較低電阻。此相對低電阻狀態(tài)可定義為 MRAM單元的"0"狀態(tài)。在反平行配置（圖2)中，自由區(qū)170的磁性定向172是基本上沿固 定區(qū)130的磁性定向131的相反方向（例如，北或南）指向，從而跨越磁阻元件（即，固定 區(qū)130及自由區(qū)170)給出較高電阻。此相對高電阻狀態(tài)可定義為MRAM單元的"1"狀態(tài)。
[0006] 自由區(qū)170的磁性定向171U72及因此跨越磁阻元件的所得高或低電阻狀態(tài)的切 換實現(xiàn)典型MRAM單元的寫入及讀取操作。在操作中，可致使編程電流流動穿過存取晶體管 及磁性單元核心100。磁性單元核心100內(nèi)的固定區(qū)130使所述編程電流的電子自旋極化， 且在自旋極化的電流通過磁性單元核心100時形成扭矩。自旋極化的電子電流通過對自由 區(qū)170施加扭矩而與自由區(qū)170相互作用。當(dāng)通過磁性單元核心100的自旋極化的電子電 流的扭矩大于自由區(qū)130的臨界切換電流密度（J。）時，由自旋極化的電子電流施加的扭矩 足以切換自由區(qū)170的磁化的方向（S卩，在磁性定向171與磁性定向172之間）。因此，可 使用編程電流來致使自由區(qū)170的磁性定向171U72平行于（圖1)或反平行于（圖2)固 定區(qū)130的磁性定向131而對準(zhǔn)。
[0007] 理想地，將自由區(qū)170從平行配置（圖1)切換到反平行配置（圖2)所需的編程 電流量與從反平行配置（圖2)切換到平行配置（圖1)所需的編程電流量基本上相同。用 于切換的此相等編程電流在本文中稱為"對稱切換"。
[0008] 雖然對稱切換可為理想的，但在常規(guī)磁性單元核心100中，一或多個磁性區(qū)由于 其磁性本質(zhì)可發(fā)射可干擾自由區(qū)170中的切換的磁性偶極場。舉例來說，可由固定區(qū)130發(fā) 射磁性偶極場132,如圖1及2中所圖解說明。（值得注意的是，雖然將磁性偶極場132圖解 說明為在固定區(qū)130的上部表面及下部表面的基本上整體之間通過，但實際上，固定區(qū)130 可具有實質(zhì)上小于固定區(qū)130的寬度的高度，以使得磁性偶極場132可從上部及下部表面 基本上僅接近于固定區(qū)130的側(cè)壁處發(fā)射。）當(dāng)自由區(qū)170在一個配置（例如，平行配置 (圖1))中時，自由區(qū)170的磁性定向171可與來自固定區(qū)130的磁性偶極場132至少部 分平行對準(zhǔn)；然而，當(dāng)自由區(qū)170在另一配置（例如，反平行配置（圖2))中時，自由區(qū)170 的磁性定向172可與磁性偶極場132至少部分反平行對準(zhǔn)。如圖1及2中所圖解說明，然 后，磁性偶極場132可從固定區(qū)130的上部表面發(fā)射且在起弧以進入固定區(qū)130的下部表 面之前通過自由區(qū)170的一部分。當(dāng)自由區(qū)170在平行配置（圖1)中時，來自固定區(qū)130 的磁性偶極場132及自由區(qū)170的磁性定向171兩者可沿基本上相同方向（例如，分別向 上及向上）指向。然而，當(dāng)自由區(qū)170在反平行配置（圖2)中時，來自固定區(qū)130的磁性 偶極場132及自由區(qū)170的磁性定向172兩者可沿基本上相反方向（例如，分別向上及向 下）指向。因此，自由區(qū)170在平行配置（圖1)中可比在反平行配置（圖2)中具有更高 親和度以使得將自由區(qū)170從平行配置（圖1)切換到反平行配置（圖2)所需的編程電流 可比將自由區(qū)170從反平行配置（圖2)切換到平行配置（圖1)所需的編程電流更多。因 此，從固定區(qū)130發(fā)射的磁性偶極場132的存在可損害在MRAM單元的操作期間對稱地切換 自由區(qū)170的磁性定向171、172的能力。
[0009] 已努力來消除由于來自雜散磁性偶極場132的干擾所致的對切換的負(fù)面效應(yīng)。這 些努力包含（舉例來說）試圖通過平衡磁性區(qū)（例如，固定區(qū)130)內(nèi)的磁性定向來中和磁 性偶極場132。舉例來說，圖3圖解說明包含通過導(dǎo)電材料336分離的磁性材料334的常規(guī) 固定區(qū)330。耦合器材料338耦合固定區(qū)330的下部區(qū)與上部區(qū)。安置于磁性材料334之 間的導(dǎo)電材料336致使磁性材料334展現(xiàn)垂直各向異性（即，垂直磁性定向331、333)，而 耦合器材料338經(jīng)調(diào)配且經(jīng)定位以提供鄰近磁性材料的反平行耦合。因此，固定區(qū)330配 置為其中固定區(qū)330的上部區(qū)與下部區(qū)經(jīng)由單個介入耦合器材料338耦合的合成反鐵磁體 (SAF)。目標(biāo)是上部區(qū)所發(fā)射的磁性偶極場將由于磁性定向331、333的相反方向而被下部 區(qū)所發(fā)射的磁性偶極場有效地抵消。然而，單元的自由區(qū)將安置為較靠近固定區(qū)330的上 部及下部區(qū)中的一者以使得自由區(qū)將經(jīng)歷的由上部及下部區(qū)中的較接近者發(fā)射的磁性偶 極場比自由區(qū)將經(jīng)歷的另一磁性偶極場更強烈。因此，平衡上部及下部區(qū)的磁性定向可不 有效地抵消單元的自由區(qū)所經(jīng)歷的磁性偶極場。因此，設(shè)計實現(xiàn)自由區(qū)的對稱切換的單元 核心結(jié)構(gòu)已成為挑戰(zhàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明揭示一種存儲器單元。所述存儲器單元包括磁性區(qū)，所述磁性區(qū)包括磁性 材料與稱合器材料的交替結(jié)構(gòu)。所述磁性區(qū)展現(xiàn)垂直磁性定向。
[0011] 本發(fā)明還揭示一種形成存儲器單元的方法。所述方法包括形成磁性區(qū)。形成所述 磁性區(qū)包括形成展現(xiàn)垂直磁性定向的磁性子區(qū)。在所述磁性子區(qū)上形成耦合器子區(qū)。在所 述耦合器子區(qū)上形成另一磁性子區(qū)。所述另一磁性子區(qū)展現(xiàn)與所述磁性子區(qū)所展現(xiàn)的垂直 磁性定向相反指向的另一垂直磁性定向。在所述另一磁性子區(qū)上形成另一耦合器子區(qū)。
[0012] 本發(fā)明還揭示一種包括至少兩個磁性區(qū)的存儲器單元。所述至少兩個磁性區(qū)中的 至少一者包括耦合器子區(qū)。所述耦合器子區(qū)中的每一者通過展現(xiàn)垂直磁性定向的磁性子區(qū) 與所述耦合器子區(qū)中的另一者分離。
[0013] 本發(fā)明還揭示一種包括磁性區(qū)的存儲器單元。所述磁性區(qū)包括多個磁性子區(qū)。所 述多個磁性子區(qū)中的至少一個磁性子區(qū)展現(xiàn)與所述多個磁性子區(qū)中的一對相鄰磁性子區(qū) 所展現(xiàn)的垂直磁性定向相反的垂直磁性定向。
[0014] 本發(fā)明還揭示一種半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)。所述半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)包括自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁性 隨機存取存儲器（STT-MRAM)陣列。所述STT-MRAM陣列包括多個STT-MRAM單元。所述多 個STT-MRAM單元中的每一 STT-MRAM單元包括單元核心，所述單元核心包括展現(xiàn)垂直磁性 定向的磁性區(qū)。所述磁性區(qū)包括耦合器材料的多個間隔開的子區(qū)。
[0015] 本發(fā)明還揭示一種自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁性隨機存取存儲器（STT-MRAM)系統(tǒng)。所述 STT-MRAM系統(tǒng)包括至少一個磁性存儲器單元，所述至少一個磁性存儲器單元包括磁性區(qū)， 所述磁性區(qū)包括磁性材料的多個子區(qū)。所述多個子區(qū)中的子區(qū)展現(xiàn)與所述多個子區(qū)中的另 一子區(qū)所展現(xiàn)的另一垂直磁性定向相反指向的垂直磁性定向。至少一個外圍裝置與所述至 少一個磁性存儲器單元可操作通信。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是包含在平行配置中的自由區(qū)的常規(guī)STT-MRAM單元的磁性單元核心的橫截 面立面示意性圖解說明。
[0017] 圖2是包含在反平行配置中的自由區(qū)的圖1的常規(guī)STT-MRAM單元的磁性單元核 心的橫截面立面示意性圖解說明。
[0018] 圖3是常規(guī)STT-MRAM單元的固定區(qū)的橫截面立面示意性圖解說明。
[0019] 圖4是具有根據(jù)本發(fā)明的實施例的存儲器單元的STT-MRAM系統(tǒng)的示意圖。
[0020] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的STT-MRAM單元的固定區(qū)的橫截面立面示意性圖解 說明。
[0021] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的STT-MRAM單元的單元核心結(jié)構(gòu)的橫截面立面示意 性圖解說明，所述STT-MRAM單元包含圖5的固定區(qū)。
[0022] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例的STT-MRAM單元的單元核心結(jié)構(gòu)的橫截面立面示意 性圖解說明，所述STT-MRAM單元包含安置于自由區(qū)的兩側(cè)（即，頂部及底部）上的兩個圖 5的固定區(qū)。
[0023] 圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施例的STT-MRAM單元的單元核心結(jié)構(gòu)的橫截面立面示意 性圖解說明，所述STT-MRAM單元包含圖5的固定區(qū)及窄自由區(qū)。
[0024] 圖9是根據(jù)本發(fā)明的實施例的STT-MRAM單元的單元核心結(jié)構(gòu)的橫截面立面示意 性圖解說明，所述STT-MRAM單元包含圖5的固定區(qū)及根據(jù)本發(fā)明的實施例的結(jié)構(gòu)的自由 區(qū)。
[0025] 圖10是根據(jù)本發(fā)明的實施例的STT-MRAM單元的單元核心結(jié)構(gòu)的橫截面立面示意 性圖解說明，所述STT-MRAM單元包含圖3的固定區(qū)及圖9的自由區(qū)。
[0026] 圖11是根據(jù)本發(fā)明的實施例的STT-MRAM單元的單元核心結(jié)構(gòu)的橫截面立面示意 性圖解說明，所述STT-MRAM單元包含圖5的固定區(qū)、圖9的自由區(qū)及根據(jù)本發(fā)明的實施例 的結(jié)構(gòu)的參考區(qū)。
[0027] 圖12是包含根據(jù)本發(fā)明的實施例的存儲器單元的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的簡化框圖。
[0028] 圖13是根據(jù)本發(fā)明的一或多個實施例實施的系統(tǒng)的簡化框圖。

【具體實施方式】
[0029] 本發(fā)明揭示存儲器單元、包含此類存儲器單元的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)、存儲器系統(tǒng)及 形成此類存儲器單元的方法。所述存儲器單元包含展現(xiàn)垂直磁性定向的磁性區(qū)。所述磁性 區(qū)包含一或多個磁性材料及一或多個耦合器材料，其經(jīng)布置以使得所述磁性材料與所述耦 合器材料交替從而形成本文中稱為"交替結(jié)構(gòu)"的結(jié)構(gòu)，其中一定量的磁性材料（即，"磁性 子區(qū)"）鄰近于一定量的耦合器材料（即，"耦合器子區(qū)"）安置，所述量的耦合器材料鄰近 于另一量的磁性材料（即，另一磁性子區(qū)）安置。另一量的耦合器材料（即，另一耦合器子 區(qū)）可鄰近于所述另一量的磁性材料（即，所述另一磁性子區(qū)）安置，且依次類推。因此， 存儲器單元的磁性區(qū)包含磁性子區(qū)與耦合器子區(qū)的交替結(jié)構(gòu)。
[0030] 所述交替結(jié)構(gòu)的耦合器材料經(jīng)調(diào)配而以反鐵磁方式耦合相鄰磁性材料。耦合器材 料還可實現(xiàn)相鄰磁性材料內(nèi)的垂直磁性定向。由耦合器子區(qū)耦合的磁性子區(qū)展現(xiàn)相反指向 的垂直磁性定向。因此，磁性區(qū)的交替結(jié)構(gòu)進一步包含以垂直磁性定向交替的磁性子區(qū)。
[0031] 由于耦合器材料既提供反鐵磁耦合又實現(xiàn)相鄰磁性材料中的垂直磁性定向，因此 具有根據(jù)本發(fā)明的實施例的交替結(jié)構(gòu)的磁性區(qū)可薄于具有提供反鐵磁耦合的一種材料及 用以實現(xiàn)垂直磁性定向的另一材料的常規(guī)磁性區(qū)。因此，存儲器單元的單元核心可結(jié)構(gòu)化 為比常規(guī)存儲器單元的單元核心更緊湊的結(jié)構(gòu)。
[0032] 此外，由于磁性區(qū)（例如，固定區(qū)）內(nèi)的磁性子區(qū)可各自具有小于常規(guī)MRAM存儲 器單元的固定區(qū)的磁性區(qū)的厚度的厚度，因此磁性子區(qū)所發(fā)射的磁性偶極場可小于常規(guī)磁 性區(qū)所發(fā)射的磁性偶極場。經(jīng)最小化磁性偶極場減少所發(fā)射磁性偶極場對自由區(qū)的切換的 干擾。
[0033] 此外，由于磁性區(qū)內(nèi)的每一磁性子區(qū)靠近展現(xiàn)相反指向的垂直磁性定向的至少一 個相鄰磁性子區(qū)安置，因此一個磁性子區(qū)所發(fā)射的磁性偶極場可被緊靠附近處所發(fā)射的另 一磁性偶極場有效地實質(zhì)上抵消。此實質(zhì)抵消減小磁性偶極場干擾自由區(qū)的切換的可能 性。
[0034] 如本文中所使用，術(shù)語"襯底"意指且包含在其上形成例如存儲器單元內(nèi)的組件的 組件的基底材料或構(gòu)造。襯底可為半導(dǎo)體襯底、在支撐結(jié)構(gòu)上的基底半導(dǎo)體材料、金屬電極 或其上形成有一或多個材料、結(jié)構(gòu)或區(qū)的半導(dǎo)體襯底。襯底可為常規(guī)硅襯底或包含半導(dǎo)電 材料的其它塊體襯底。如本文中所使用，術(shù)語"塊體襯底"不僅意指且包含硅晶片，而且意指 并包含絕緣體上硅（"SOI"）襯底（例如藍(lán)寶石上硅（"S0S"）襯底或玻璃上硅（"S0G"） 襯底）、在基底半導(dǎo)體基礎(chǔ)上的硅外延層或其它半導(dǎo)體或光電材料（例如硅-鍺（SihGe,， 其中x是（舉例來說）介于0. 2與0. 8之間的摩爾分?jǐn)?shù)）、鍺（Ge)、砷化鎵（GaAs)、氮化鎵 (GaN)或磷化銦（InP)以及其它）。此外，當(dāng)在以下說明中提及"襯底"時，可能已利用先前 處理階段在基底半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)中形成材料、區(qū)或結(jié)。
[0035] 如本文中所使用，術(shù)語"STT-MRAM單元"意指且包含磁性單元結(jié)構(gòu)，如果安置于自 由區(qū)與固定區(qū)之間的非磁性區(qū)為電絕緣的（例如，電介質(zhì)），那么所述磁性單元結(jié)構(gòu)可包含 磁性隧道結(jié)（"MTJ"）?；蛘?，如果安置于自由區(qū)與固定區(qū)之間的非磁性區(qū)為導(dǎo)電的，那么 STT-MRAM單元的磁性單元結(jié)構(gòu)可包含自旋閥。
[0036] 如本文中所使用，術(shù)語"單元核心"意指且包含存儲器單元結(jié)構(gòu)，所述存儲器單元 結(jié)構(gòu)包括自由區(qū)及固定區(qū)，且在存儲器單元的操作期間電流流動穿過所述存儲器單元結(jié)構(gòu) 以實現(xiàn)自由區(qū)內(nèi)的平行或反平行磁性定向。
[0037] 如本文中所使用，術(shù)語"垂直"意指且包含垂直于相應(yīng)區(qū)的寬度的方向。"垂直"還 可意指且包含垂直于STT-MRAM單元位于其上的襯底的主要表面的方向。
[0038] 如本文中所使用，術(shù)語"磁性材料"意指且包含鐵磁材料及亞鐵磁材料兩者。
[0039] 如本文中所使用，術(shù)語"耦合器材料"意指且包含經(jīng)調(diào)配以在磁性材料的相鄰區(qū)之 間提供RKKY (魯?shù)侣?基特爾-柏谷-吉田（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida))相互作 用（還稱為"反平行耦合"或"反鐵磁耦合"）且在磁性材料的相鄰區(qū)內(nèi)實現(xiàn)或促進垂直各 向異性（即，垂直磁性定向）的材料。舉例來說且在無限制的情況下，根據(jù)本發(fā)明的實施例 的耦合器材料包含釕（Ru)、銠（Rh)或其組合。
[0040] 如本文中所使用，當(dāng)提及材料、區(qū)或子區(qū)時，術(shù)語"相鄰"意指且指代所識別組合物 的下一個最接近材料、區(qū)或子區(qū)。除所識別組合物之外的組合物的材料、區(qū)或子區(qū)可安置于 所識別組合物的一個材料、區(qū)或子區(qū)與其相鄰材料、區(qū)或子區(qū)之間。舉例來說，與特定耦合 器子區(qū)"相鄰"的磁性子區(qū)是（例如）多個磁性子區(qū)中下一個最接近于所述特定耦合器子 區(qū)的磁性子區(qū)，所述"相鄰"磁性子區(qū)可直接鄰近于所述特定耦合器子區(qū)。作為另一實例， 與特定磁性子區(qū)"相鄰"的磁性子區(qū)是（例如）多個磁性子區(qū)中下一個最接近于所述特定 磁性子區(qū)的磁性子區(qū)，所述"相鄰"磁性子區(qū)可通過非磁性組合物的材料、區(qū)或子區(qū)（例如， 耦合器材料）而與所述特定磁性子區(qū)間隔開。
[0041] 如本文中使用，術(shù)語"子區(qū)"意指且包含另一區(qū)中所包含的區(qū)。因此，一個區(qū)可包 含多個子區(qū)。
[0042] 如本文中所使用，術(shù)語"固定區(qū)"意指且包含STT-MRAM單元內(nèi)的區(qū)，所述區(qū)包含磁 性材料且在STT-MRAM單元的使用及操作期間具有固定磁性定向，因為實現(xiàn)單元核心的一 個磁性區(qū)（例如，自由區(qū)）的磁化方向的改變的電流可不實現(xiàn)固定區(qū)的磁化方向的改變。
[0043] 如本文中所使用，術(shù)語"自由區(qū)"意指且包含STT-MRAM單元內(nèi)的區(qū)，所述區(qū)包含 磁性材料且在STT-MRAM單元的操作期間具有可切換磁性定向。所述磁性定向可在其中自 由區(qū)所展現(xiàn)的磁性定向及固定區(qū)所展現(xiàn)的磁性定向沿相同方向指向的"平行"方向與其中 自由區(qū)所展現(xiàn)的磁性定向及固定區(qū)所展現(xiàn)的磁性定向沿相互垂直的相反方向指向的"反平 行"方向之間切換。
[0044] 如本文中所使用，為便于描述可使用例如"向上"、"向上指向"等等方向相對術(shù)語 來描述一個磁性定向或磁性偶極場與另一磁性定向或磁性偶極場的方向關(guān)系。除非另有明 確指定，否則方向相對術(shù)語打算除圖中所描繪的方向之外還涵蓋定向及場的不同方向。舉 例來說，如果切換定向，那么描述或圖解說明為"向上指向"或"指向上"的磁性定向或磁性 偶極場那么將為"向下指向"或"指向下"且描述或圖解說明為"向下指向"或"指向下"的 磁性定向或磁性偶極場那么將為"向上指向"或"指向上"。因此，術(shù)語"向上"涵蓋與術(shù)語 "向下"所涵蓋的方向相反的方向。因此，舉例來說，術(shù)語"向上"可涵蓋從南向北及從北向 南兩者的方向，且術(shù)語"向下"可涵蓋從北向南及從南向北兩者的方向，這分別取決于所屬 領(lǐng)域的技術(shù)人員將明了的其中使用術(shù)語的上下文。磁性定向及磁性偶極場可以其它方式定 向（旋轉(zhuǎn)90度，倒置等）且相應(yīng)地解釋本文中所使用的方向相對描述語。
[0045] 如本文中所使用，為便于描述，可使用例如"下方"、"下面"、"下部"、"底部"、"上 面"、"上部"、"頂部"、"前部"、"后部"、"左側(cè)"、"右側(cè)"等等空間相對術(shù)語來描述一個元件或 特征與另一（些）元件或特征的關(guān)系，如圖中所圖解說明。除非另有明確指定，否則空間相 對術(shù)語打算除圖中所描繪的定向之外還涵蓋材料的不同定向。舉例來說，如果倒置圖中的 材料，那么描述為在其它元件或特征的"下面"或"下方"或"底下"或"底部上"將定向為在 其它元件或特征的"上面"或"頂部上"。因此，術(shù)語"下面"可涵蓋上面及下面兩者的定向， 這取決于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明了的其中使用術(shù)語的上下文。所述材料可以其它方式定 向（旋轉(zhuǎn)90度、倒置等）且相應(yīng)地解釋本文中所使用的空間相對描述語。
[0046] 如本文中所使用，對一元件在另一元件的"上"、"上方"或與另一元件"相鄰"的提 及意指且包含所述元件直接在另一元件的頂部上、鄰近于另一元件、在另一元件下方或與 另一元件直接接觸。其還包含所述元件直接在另一元件的頂部上、鄰近于另一元件、在另一 元件的下方或在另一元件附近，而其之間存在其它元件。相比之下，當(dāng)稱一元件"直接在"另 一元件"上"或"直接鄰近于"另一元件時，那么不存在介入元件。
[0047] 如本文中所使用，術(shù)語"包括（comprise、comprising) "、"包含（include及/或 including)"指定存在所陳述特征、區(qū)、整數(shù)、階段、操作、元件、材料、組件及/或群組，但 并不排除存在或添加一或多個其它特征、區(qū)、整數(shù)、階段、操作、元件、材料、組件及/或其群 組。
[0048] 如本文中所使用，"及/或"包括相關(guān)聯(lián)所列示物項中的一者或多者的任一及所有 組合。
[0049] 如本文中所使用，單數(shù)形式"一（a及an)"及"所述（the)"還打算包含復(fù)數(shù)形式， 除非上下文另有明確指示。
[0050] 本文中所呈現(xiàn)的圖解說明并非打算作為任何特定材料、組件、區(qū)、子區(qū)、結(jié)構(gòu)、裝置 或系統(tǒng)的實際視圖，而僅僅是用以描述本發(fā)明的實施例的理想化表示。
[0051] 本文中參考圖解說明描述實施例。因此，預(yù)期圖解說明的形狀會因（例如）制造技 術(shù)及/或公差而有所變化。因此，本文中所描述的實施例不應(yīng)解釋為限于所圖解說明的特 定形狀或區(qū)，而是包含由（舉例來說）制造產(chǎn)生的形狀的偏差。舉例來說，圖解說明或描述 為盒形的區(qū)可具有粗糙及/或非線性特征。此外，所圖解說明的銳角實務(wù)上可為圓角。因 此，圖中所圖解說明的區(qū)在本質(zhì)上及其形狀上為示意性的，且并非打算圖解說明區(qū)的精確 形狀且并不限制本發(fā)明的范圍。
[0052] 以下描述提供特定細(xì)節(jié)（例如材料類型及處理條件），以便提供對所揭示裝置及 方法的實施例的透徹描述。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，可在不采用這些特定細(xì)節(jié)的 情況下實踐所述裝置及方法的實施例。實際上，可結(jié)合業(yè)內(nèi)采用的常規(guī)半導(dǎo)體制作技術(shù)來 實踐所述裝置及方法的實施例。
[0053] 本文中所描述的制作工藝并不形成用于處理半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)的完整工藝流程。所 屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知所述工藝流程的其余部分。因此，本文中僅描述理解本發(fā)明裝置的 實施例所需的方法及半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)。
[0054] 除非上下文另有指示，否則本文中所描述的材料可通過任何常規(guī)技術(shù)形成，包含 (但不限于）：旋轉(zhuǎn)涂覆、毯覆式涂覆、化學(xué)氣相沉積（"CVD"）、等離子增強CVD、原子層沉 積（"ALD"）、等離子增強ALD或物理氣相沉積（"PVD"）?；蛘?，可原位生長所述材料。取 決于待形成的特定材料，可由所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員選擇用于沉積或生長材料的技術(shù)。
[0055] 現(xiàn)在將參考圖式，其中通篇中相似編號指代相似組件。圖式未必按比例繪制。
[0056] 本發(fā)明揭示一種存儲器單元。所述存儲器單元包含具有磁性材料與耦合器材料交 替（例如，磁性子區(qū)與耦合器子區(qū)交替）的磁性區(qū)。耦合器材料以反鐵磁方式耦合相鄰磁 性子區(qū)并實現(xiàn)或促進相鄰磁性子區(qū)所展現(xiàn)的垂直磁性定向。彼此相鄰的磁性子區(qū)通過耦合 器子區(qū)彼此間隔開且展現(xiàn)相反指向的垂直磁性定向。交替的磁性子區(qū)及耦合器子區(qū)可各自 為經(jīng)配置以形成具有緊湊結(jié)構(gòu)的磁性區(qū)（例如，固定區(qū)、自由區(qū)）的厚度。可減少或消除從 所述磁性區(qū)發(fā)射的磁性偶極場之間對所述存儲器單元中的自由區(qū)的切換的干擾。
[0057] 圖4圖解說明包含與SIT-MRAM單元414可操作通信的外圍裝置412的SIT-MRAM 系統(tǒng)400,多個STT-MRAM單元414可經(jīng)制作以取決于系統(tǒng)要求及制作技術(shù)而以包含若干個 行及列的網(wǎng)格圖案或以各種其它布置形成存儲器單元陣列。STT-MRAM單元414包含單元核 心402、存取晶體管403、可充當(dāng)數(shù)據(jù)/感測線404 (例如，位線）的導(dǎo)電材料、可充當(dāng)存取線 405 (例如，字線）的導(dǎo)電材料及可充當(dāng)源極線406的導(dǎo)電材料。STT-MRAM系統(tǒng)400的外圍 裝置412可包含讀取/寫入電路407、位線參考408及感測放大器409。單元核心402包含 自由區(qū)及固定區(qū)，其中非磁性區(qū)安置于其之間。自由區(qū)及固定區(qū)中的一者或兩者可包含磁 性子區(qū)與耦合器子區(qū)的交替結(jié)構(gòu)。耦合器子區(qū)的耦合器材料以反鐵磁方式耦合相鄰磁性子 區(qū)并實現(xiàn)相鄰磁性子區(qū)所展現(xiàn)的垂直磁性定向。
[0058] 在使用及操作中，當(dāng)選擇編程STT-MRAM單元414時，將編程電流施加到STT-MRAM 單元414,且所述電流由單元核心402的固定區(qū)自旋極化并對單元核心402的自由區(qū)施加扭 矩，此切換自由區(qū)的磁化以"寫入到"或"編程" STT-MRAM單元414。在STT-MRAM單元414 的讀取操作中，使用電流來檢測單元核心402的電阻狀態(tài)。由于自由區(qū)、固定區(qū)或兩個區(qū)具 有磁性子區(qū)與耦合器子區(qū)的交替結(jié)構(gòu)，因此用以將自由區(qū)的磁化從平行配置切換到反平行 配置的臨界切換電流可與用以將自由區(qū)的磁化從反平行配置切換到平行配置的臨界切換 電流基本上相同。此外，所述交替結(jié)構(gòu)可進一步使得能夠使用具有較小垂直尺寸的單元核 心402,因此提供改進的可擴縮性及裝置密度。磁性子區(qū)及耦合器子區(qū)的序列可進一步增強 包含此交替結(jié)構(gòu)的磁性區(qū)的穩(wěn)定性。
[0059] 為起始STT-MRAM單元414的編程，讀取/寫入電路407可產(chǎn)生到數(shù)據(jù)/感測線 404及源極線406的寫入電流。數(shù)據(jù)/感測線404與源極線406之間的電壓的極性確定單 元核心402中的自由區(qū)的磁性定向的切換。一旦根據(jù)編程電流的自旋極性將自由區(qū)磁化， 便將經(jīng)編程狀態(tài)寫入到STT-MRAM單元414。
[0060] 為讀取STT-MRAM單元414,讀取/寫入電路407產(chǎn)生穿過單元核心402及存取晶 體管403到數(shù)據(jù)/感測線404及源極線406的讀取電壓。STT-MRAM單元414的經(jīng)編程狀態(tài) 與跨越單元核心402的電阻相關(guān)，所述電阻可由數(shù)據(jù)/感測線404與源極線406之間的電 壓差來確定。在一些實施例中，所述電壓差可與位線參考408進行比較且通過感測放大器 409來放大。
[0061] 參考圖5,其圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的存儲器單元的磁性區(qū)，例如，固定區(qū) 530。固定區(qū)530包含交替的磁性子區(qū)534及耦合器子區(qū)538。也就是說，固定區(qū)530包含 多個磁性子區(qū)534,每一磁性子區(qū)534通過耦合器子區(qū)538中的一者與另一磁性子區(qū)534間 隔開。耦合器子區(qū)538的耦合器材料以反鐵磁方式耦合相鄰磁性子區(qū)534并在其中實現(xiàn)相 反指向的垂直磁性定向531、533。因此，一個磁性子區(qū)534展現(xiàn)向上的垂直磁性定向531， 而通過一個耦合器子區(qū)538與所述一個磁性子區(qū)534間隔開的相鄰磁性子區(qū)534展現(xiàn)向下 的垂直磁性定向533。交替的磁性子區(qū)534及耦合器子區(qū)538的數(shù)目可經(jīng)定制以實現(xiàn)固定 區(qū)530或包括交替結(jié)構(gòu)的其它磁性區(qū)的適當(dāng)操作同時發(fā)射很少到不發(fā)射雜散磁性偶極場。
[0062] 磁性子區(qū)534的磁性材料可包括鐵磁材料或亞鐵磁材料。舉例來說，在無限制的 情況下，磁性子區(qū)534的磁性材料可包含Co、Fe、Ni或其合金NiFe、CoFe、CoNiFe或經(jīng)摻雜 合金(：(^、(：(^6乂、(：0附？6乂（其中乂 = 8、(：11、1^、1?11、詘、1^、？(1、？1〇或其它半金屬鐵磁材 料，例如（舉例來說）NiMnSb及PtMnSb。在一些實施例中，磁性子區(qū)534的磁性材料可基本 上由鈷（Co)組成（例如，僅由鈷（Co)組成）。
[0063] 耦合器子區(qū)538的耦合器材料經(jīng)調(diào)配且經(jīng)定位以在相鄰磁性子區(qū)534之間提供 RKKY相互作用。耦合器子區(qū)538的耦合器材料進一步經(jīng)調(diào)配且經(jīng)定位以實現(xiàn)或促進相鄰磁 性子區(qū)534所展現(xiàn)的垂直磁性定向531、533。因此，耦合器子區(qū)538的耦合器材料是雙重功 能性材料。另一方面，（例如）圖3中所圖解說明的固定區(qū)330中的MRAM單元結(jié)構(gòu)的常規(guī)磁 性區(qū)可包含耦合器材料區(qū)（例如，耦合器材料338的僅一層）從而以反鐵磁方式耦合固定 區(qū)330的區(qū)（即，上部及下部區(qū)）同時采用導(dǎo)電材料336(例如鈀或鉬）的交替層來實現(xiàn)磁 性材料334的層內(nèi)的垂直磁性定向331、333。繼續(xù)參考圖5,由于根據(jù)本發(fā)明的實施例較少 子區(qū)包含于固定區(qū)530中或利用磁性子區(qū)與耦合器子區(qū)的交替結(jié)構(gòu)的其它此類磁性區(qū)中， 因此磁性區(qū)（例如，固定區(qū)530)的結(jié)構(gòu)可比常規(guī)磁性區(qū)（例如，圖3的固定區(qū)330)的結(jié)構(gòu) 更緊湊。舉例來說，固定區(qū)530的高度可為常規(guī)固定區(qū)（例如，圖3的固定區(qū)330)的高度 的大約一半。在一些實施例中，固定區(qū)530或根據(jù)本發(fā)明的交替結(jié)構(gòu)的其它磁性區(qū)可不含 鈀、鉬或兩者，因為由常規(guī)磁性區(qū)中的此類材料實現(xiàn)的功能由根據(jù)本發(fā)明的磁性區(qū)（例如， 固定區(qū)530)的耦合器子區(qū)538的耦合器材料來實現(xiàn)。
[0064] 耦合器子區(qū)538的耦合器材料可由經(jīng)調(diào)配且經(jīng)定位而以反鐵磁方式耦合相鄰磁 性子區(qū)534的一或多個材料形成。舉例來說，在無限制的情況下，耦合器子區(qū)538的耦合器 材料可由釕（Ru)及銠（Rh)中的一或多者形成。
[0065] 由于磁性定向531、533從一個磁性子區(qū)534到相鄰磁性子區(qū)534沿垂直方向交 替，因此固定區(qū)530內(nèi)的磁性子區(qū)534中的一者所發(fā)射的磁性偶極場可被一個或兩個相鄰 磁性子區(qū)534所發(fā)射的相反指向的磁性偶極場實質(zhì)上或完全地抵消。因此，磁性偶極場從 固定區(qū)530產(chǎn)生并干擾自由區(qū)的切換的可能性得以最小化。
[0066] 磁性子區(qū)534及耦合器子區(qū)538的厚度可經(jīng)定制以實現(xiàn)所要結(jié)果。在一些實施例 中，每一子區(qū)534、538分別形成為磁性材料或耦合器材料的單個單層。在其它實施例中，每 一子區(qū)534、538分別包含磁性材料或耦合器材料的大約一個單層到大約五個單層，例如， 大約三個單層。每一子區(qū)534、538可界定小于大約1納米的厚度（例如，高度）。舉例來說， 磁性子區(qū)534可具有小于大約四埃(4A) (0. 4nm)的厚度（高度），例如，大約2人（〇. 2nm) 到大約3 A (0.3nm)的高度。在那些或其它實施例中，耦合器子區(qū)538可具有小于大約6 A (0. 6nm)的厚度（例如，高度），例如，大約3 A (0. 3nm)到大約5 A (〇. 5nm)(例如，大約4 A (0.4nm))的高度。
[0067] 固定區(qū)530或利用磁性子區(qū)534與耦合器子區(qū)538的交替結(jié)構(gòu)的其它磁性區(qū)可通 過循序形成耦合器子區(qū)538及磁性子區(qū)534等（S卩，形成磁性子區(qū)534,然后在磁性子區(qū)534 上形成耦合器子區(qū)538,然后在耦合器子區(qū)538上形成另一磁性子區(qū)534,然后在另一磁性 子區(qū)534上形成另一耦合器子區(qū)538等）來形成。固定區(qū)530或具有交替結(jié)構(gòu)的其它磁性 區(qū)的最下部及最上部子區(qū)可為磁性子區(qū)534,如圖5中所圖解說明。
[0068] 磁性子區(qū)534及耦合器子區(qū)538可通過PVD、通過濺鍍、通過另一常規(guī)材料形成工 藝或其任何組合來形成。可在相同制作工具中形成磁性子區(qū)534及耦合器子區(qū)538。
[0069] 此后磁性子區(qū)534及耦合器子區(qū)538的經(jīng)制作交替結(jié)構(gòu)（圖5)可連同安置于上 面或下面的其它材料一起經(jīng)圖案化（即，經(jīng)蝕刻）以形成單元核心結(jié)構(gòu)600,如圖6中所圖 解說明。由于固定區(qū)530可不含傳統(tǒng)上難以蝕刻的材料（例如鈀及鉬），因此圖案化固定區(qū) 530以形成單元核心結(jié)構(gòu)600可比圖案化含有例如鈀及鉬等材料的固定區(qū)（例如，圖3的固 定區(qū)330)更容易。相對于分別不具有交替結(jié)構(gòu)的常規(guī)固定區(qū)（例如，圖3的固定區(qū)330) 或其它磁性區(qū)，還可由于交替結(jié)構(gòu)的固定區(qū)530或其它磁性區(qū)的緊湊結(jié)構(gòu)而使得圖案化更 容易。
[0070] 繼續(xù)參考圖6,所得單元核心結(jié)構(gòu)600可包含固定區(qū)530下面及上面的單元核心 區(qū)。舉例來說，固定區(qū)530可形成于由襯底102支撐的下部導(dǎo)電材料610上方。一或多個 下部中間區(qū)620可安置于下部導(dǎo)電材料610與固定區(qū)530的下部表面之間。下部導(dǎo)電材料 610可形成底部電極的部分。下部中間區(qū)620可包含非磁性區(qū)、過渡區(qū)、擴散勢壘、緩沖物、 兼容性區(qū)、常規(guī)STT-MRAM單元的其它區(qū)或其任何組合。
[0071] 任選地，過渡區(qū)640、參考區(qū)650或兩者可形成于固定區(qū)530上面。過渡區(qū)640 (如 果包含）可包含非磁性材料，例如，鉭、鈦、其氮化物或其組合。過渡區(qū)640可被形成為具有 經(jīng)定制以使得固定區(qū)530的最上部磁性子區(qū)534 (圖5)可與參考區(qū)650 (如果包含于單元 核心結(jié)構(gòu)600中）以磁性方式相互作用的厚度?？墒褂眠^渡區(qū)640(如果包含）來以所要 結(jié)晶結(jié)構(gòu)形成磁性子區(qū)534 (圖5)及耦合器子區(qū)538 (圖5)。因此，在一些實施例中，交替 結(jié)構(gòu)的磁性區(qū)（例如，固定區(qū)530)可包含磁性子區(qū)534 (圖5)及耦合器子區(qū)538 (圖5)的 超品格結(jié)構(gòu)。
[0072] 參考區(qū)650可包含與固定區(qū)530的磁性子區(qū)534 (圖5)的磁性材料具有相同或不 同的組合物的磁性材料。如果存在，那么參考區(qū)650可展現(xiàn)可影響固定區(qū)530的凈垂直磁 性定向的垂直磁性定向。舉例來說，參考區(qū)650可以磁性方式極化且經(jīng)定位以展現(xiàn)向下指 向的垂直磁性定向。在此情形中，固定區(qū)530的最上部磁性子區(qū)534(圖5)可同樣地展現(xiàn) 向下指向的垂直磁性定向533(如圖5中所圖解說明）。在此類實施例中，固定區(qū)530內(nèi)的 展現(xiàn)向上指向的垂直磁性定向531的磁性子區(qū)534可比展現(xiàn)向下指向的磁性定向533的磁 性子區(qū)534更厚，以便實現(xiàn)固定區(qū)530及參考區(qū)650內(nèi)向下指向的磁性定向533與向上指 向的磁性定向531的本質(zhì)抵消。
[0073] 繼續(xù)參考圖6,非磁性區(qū)660可安置于固定區(qū)530與自由區(qū)670之間。在單元核心 結(jié)構(gòu)600包含參考區(qū)650的實施例中，非磁性區(qū)660可安置于參考區(qū)650與自由區(qū)670之 間。非磁性區(qū) 660 可包括 AlxOy、MgO、AlN、SiN、CaOx、NiOx、Hf xOy、TaxOy、ZrxO y、NiMnOx、MgxFy、 SiC、Si02、SiOxNy或上述材料的任何組合。在一些實施例中，非磁性區(qū)660可包括電絕緣材 料且非磁性區(qū)660配置為MTJ。在其它實施例中，非磁性區(qū)660可包括導(dǎo)電材料且非磁性區(qū) 660配置為自旋閥。
[0074] 自由區(qū)670包含可為與固定區(qū)530內(nèi)的磁性子區(qū)534(圖5)的磁性材料的組合物 相同或不同的磁性材料。在一些實施例中，自由區(qū)670可為常規(guī)自由區(qū)，S卩，不包含磁性子 區(qū)534(圖5)與耦合器子區(qū)538(圖5)的交替結(jié)構(gòu)的磁性區(qū)。
[0075] -或多個上部中間區(qū)680可形成于自由區(qū)670上方，且上部導(dǎo)電區(qū)690可形成為 單元核心結(jié)構(gòu)600的最上部區(qū)。上部中間區(qū)680 (如果包含）可為上文關(guān)于下部中間區(qū) 620所論述的區(qū)中的任何一或多者。上部導(dǎo)電區(qū)690可形成頂部電極的一部分，以使得上 部導(dǎo)電區(qū)690可充當(dāng)數(shù)據(jù)/感測線404 (圖4)。因此，單元核心結(jié)構(gòu)600可實施于圖4的 SIT-MRAM 單元 414 中。
[0076] 雖然圖6將自由區(qū)670描繪為安置于固定區(qū)530上面，但在其它實施例中，自由區(qū) 670可安置于固定區(qū)530下面。此外，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，可在不變更相應(yīng)磁性 子區(qū)（例如，圖5的磁性子區(qū)534)的功能的情況下相反地圖解說明磁性定向（例如，圖5 的磁性定向531、533)。
[0077] 圖6的單元核心結(jié)構(gòu)600可實現(xiàn)實質(zhì)上可對稱地切換的自由區(qū)670,因為固定區(qū) 530的緊湊交替結(jié)構(gòu)使得從固定區(qū)530發(fā)射的磁性偶極場得以最小化（例如，歸因于磁性子 區(qū)534 (圖5)的薄尺寸），且實質(zhì)上被抵消（例如，歸因于相反定向的磁性子區(qū)534 (圖5) 的交替圖案）。此外，由于多個單元核心結(jié)構(gòu)600的材料可同時形成并然后進行圖案化，因 此固定區(qū)530的結(jié)構(gòu)可適應(yīng)形成若干個單元核心結(jié)構(gòu)600,其中在如此形成的單元核心結(jié) 構(gòu)600當(dāng)中具有實質(zhì)上均勻性。
[0078] 可在磁性存儲器單元的單元核心結(jié)構(gòu)中的別處利用交替結(jié)構(gòu)（即，交替的磁性子 區(qū)534及耦合器子區(qū)538)的磁性區(qū)（例如圖5及6中所圖解說明的固定區(qū)530)。交替結(jié) 構(gòu)的此類磁性區(qū)可經(jīng)配置以充當(dāng)額外固定區(qū)、充當(dāng)自由區(qū)、充當(dāng)參考區(qū)或其任何組合。交替 結(jié)構(gòu)中所利用的子區(qū)的數(shù)目、材料及尺寸可經(jīng)定制以分別實現(xiàn)固定區(qū)、自由區(qū)、參考區(qū)或其 組合的所要功能性。舉例來說，包含于自由區(qū)中的子區(qū)的數(shù)目可為經(jīng)選擇以在MRAM單元的 操作期間適應(yīng)自由區(qū)的磁性定向的切換的數(shù)目，而包含于固定區(qū)中的子區(qū)的數(shù)目可為經(jīng)選 擇以避免在操作期間磁性定向的切換的數(shù)目。
[0079] 此外，雖然如本文中所揭示及描述的交替結(jié)構(gòu)（例如，固定區(qū)530 (圖5)的結(jié)構(gòu)） 最小化來自固定區(qū)530的雜散磁性偶極場與自由區(qū)（例如，圖6的自由區(qū)670)之間的負(fù)面 干擾，但單元核心的結(jié)構(gòu)可進一步經(jīng)配置以最小化此干擾。
[0080] 舉例來說，參考圖7,根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，單元核心結(jié)構(gòu)700可包含各自具 有上文關(guān)于圖5所圖解說明及論述的交替結(jié)構(gòu)的一個以上固定區(qū)530(例如，兩個固定區(qū) 530)。固定區(qū)530可基本上對稱地安置于自由區(qū)670上面及下面。如此，單元核心結(jié)構(gòu)700 可經(jīng)配置以使得由固定區(qū)530中的一者朝向自由區(qū)670發(fā)射的磁性偶極場可被由固定區(qū) 530中的另一者從另一方向朝向自由區(qū)670發(fā)射的磁性偶極場抵消。因此，單元核心結(jié)構(gòu) 700不僅通過利用磁性子區(qū)534 (圖5)及耦合器子區(qū)538 (圖5)的交替結(jié)構(gòu)而最小化磁性 偶極場干擾，而且其相對于自由區(qū)670對稱地安置固定區(qū)530以進一步抵消雜散磁性偶極 場。
[0081] 作為另一實例，參考圖8,在根據(jù)本發(fā)明的實施例的另一單元核心結(jié)構(gòu)800中，自 由區(qū)870可形成為具有小于固定區(qū)530的橫向尺寸（例如，寬度）的橫向尺寸（例如，寬 度）。因此，單元核心結(jié)構(gòu)800可經(jīng)配置以抑制固定區(qū)530所發(fā)射的可在固定區(qū)530的側(cè) 壁附近最強烈地發(fā)射的磁性偶極場與如所圖解說明可不與固定區(qū)530的磁性偶極場從其 最強烈地發(fā)射的側(cè)壁垂直重疊的自由區(qū)870之間的干擾。因此，固定區(qū)530及較窄自由區(qū) 870的交替結(jié)構(gòu)各自最小化對自由區(qū)870切換的磁性偶極場干擾。
[0082] 作為又一實例，參考圖9,單元核心結(jié)構(gòu)900可不僅包含具有交替結(jié)構(gòu)的固定區(qū) 530,還包含具有交替結(jié)構(gòu)的自由區(qū)970。交替的磁性子區(qū)534 (圖5)及耦合器子區(qū)538 (圖 5)的數(shù)目可經(jīng)定制以確保在操作期間自由區(qū)970的磁性定向的可切換性。在一些此類實施 例中，自由區(qū)970可包含少于固定區(qū)530的交替子區(qū)。由于交替結(jié)構(gòu)，雜散磁性偶極場的效 應(yīng)可得以進一步最小化。
[0083] 在其它實施例（例如圖10中所圖解說明的實施例）中，單元核心結(jié)構(gòu)1000可在 自由區(qū)970中而非其它磁性區(qū)中（例如固定區(qū)中）利用交替結(jié)構(gòu)。因此，可結(jié)合常規(guī)固定 區(qū)（例如，圖3的固定區(qū)330)利用本發(fā)明的自由區(qū)970。然而，交替結(jié)構(gòu)的自由區(qū)970可比 常規(guī)單元核心結(jié)構(gòu)的自由區(qū)（例如，圖7的自由區(qū)670)經(jīng)歷來自雜散磁性偶極場（例如， 固定區(qū)330所發(fā)射的磁性偶極場）的更少切換干擾。
[0084] 在又一些實施例中，單元核心結(jié)構(gòu)1100的磁性區(qū)中的每一者可包含交替結(jié)構(gòu)。因 此，固定區(qū)530、自由區(qū)970及參考區(qū)1150中的每一者可包含交替結(jié)構(gòu)磁性子區(qū)534(圖5) 及耦合器子區(qū)538(圖5)。同樣，交替子區(qū)的數(shù)目、其材料、其尺寸（例如，厚度、寬度）及 其相對于其它磁性區(qū)的安置可經(jīng)定制以確保單元核心結(jié)構(gòu)1100的有效操作。舉例來說，參 考區(qū)1150可包含比自由區(qū)970少的交替子區(qū)，自由區(qū)970可包含比固定區(qū)530少的交替子 區(qū)。
[0085] 因此，本發(fā)明揭示一種包括磁性區(qū)的存儲器單元。所述磁性區(qū)包括磁性材料及耦 合器材料的交替結(jié)構(gòu)。所述磁性區(qū)展現(xiàn)垂直磁性定向。
[0086] 本發(fā)明還揭示一種形成存儲器單元、包括形成磁性區(qū)的方法。形成磁性區(qū)包括形 成展現(xiàn)垂直磁性定向的磁性子區(qū)。在所述磁性子區(qū)上形成耦合器子區(qū)。在所述耦合器子區(qū) 上形成另一磁性子區(qū)。所述另一磁性子區(qū)展現(xiàn)與所述磁性子區(qū)所展現(xiàn)的垂直磁性定向相反 指向的另一垂直磁性定向。在所述另一磁性子區(qū)上形成另一耦合器子區(qū)。
[0087] 此外，本發(fā)明揭示一種包括至少兩個磁性區(qū)的存儲器單元。所述至少兩個磁性區(qū) 中的至少一者包括耦合器子區(qū)。所述耦合器子區(qū)中的每一者通過展現(xiàn)垂直磁性定向的磁性 子區(qū)與所述耦合器子區(qū)中的另一者分離。
[0088] 此外，本發(fā)明揭示一種包括磁性區(qū)的存儲器單元，所述磁性區(qū)包括多個磁性子區(qū)。 所述多個磁性子區(qū)中的至少一個磁性子區(qū)展現(xiàn)具有與所述多個磁性子區(qū)中的一對相鄰磁 性子區(qū)所展現(xiàn)的垂直磁性定向相反的垂直磁性定向。
[0089] 本發(fā)明還揭示一種包含至少一個STT-MRAM單元（例如，STT-MRAM單元陣列）的半 導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)。參考圖12,其圖解說明根據(jù)本文中所描述的一或多個實施例實施的半導(dǎo)體 裝置結(jié)構(gòu)1200的簡化框圖。半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)1200包含存儲器陣列1202及控制邏輯組件 1204。存儲器陣列1202可包含多個STT-MRAM單元414 (圖4)，多個STT-MRAM單元414包 含上文所論述的單元核心結(jié)構(gòu)600 (圖6)、700 (圖7)、800 (圖8)、900 (圖9)、1000 (圖10)、 1100(圖11)中的任一者，所述單元核心結(jié)構(gòu)600、700、800、900、1000、1100可能已根據(jù)上文 所描述的方法形成?？刂七壿嫿M件1204可經(jīng)配置而與存儲器陣列1202以操作方式交互以 便從存儲器陣列1202內(nèi)的任何或所有存儲器單元（例如，STT-MRAM單元414)讀取或?qū)懭?到所述任何或所有存儲器單元。
[0090] 因此，本發(fā)明揭示一種包括自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁性隨機存取存儲器（STT-MRAM)陣列 的半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)。所述陣列包括多個STT-MRAM單元。所述多個STT-MRAM單元中的每一 STT-MRAM單元包括單元核心，所述單元核心包括展現(xiàn)垂直磁性定向的磁性區(qū)。所述磁性區(qū) 包括耦合器材料的多個間隔開的子區(qū)。
[0091] 本發(fā)明還揭示一種包含存儲器陣列（例如，存儲器陣列1202)的系統(tǒng)。參考圖13， 其描繪基于處理器的系統(tǒng)1300?；谔幚砥鞯南到y(tǒng)1300可包含根據(jù)本發(fā)明的實施例制造 的各種電子裝置。基于處理器的系統(tǒng)1300可為多種類型中的任一者，例如計算機、尋呼機、 蜂窩式電話、個人組織器、控制電路或其它電子裝置?；谔幚砥鞯南到y(tǒng)1300可包含一或 多個處理器1302(例如微處理器）以控制基于處理器的系統(tǒng)1300中的系統(tǒng)功能及請求的 處理。處理器1302及基于處理器的系統(tǒng)1300的其它子組件可包含根據(jù)本發(fā)明的實施例制 造的磁性存儲器裝置。
[0092] 基于處理器的系統(tǒng)1300可包含電力供應(yīng)器1304。舉例來說，如果基于處理器的系 統(tǒng)1300是便攜式系統(tǒng)，那么電力供應(yīng)器1304可包含燃料電池、電力回收裝置、永久電池、可 替換電池及可再充電電池中的一或多者。電力供應(yīng)器1304還可包含AC適配器；因此，基于 處理器的系統(tǒng)1300可插入到（舉例來說）壁式插座中。電力供應(yīng)器1304還可包含DC適 配器，以使得基于處理器的系統(tǒng)1300可插入到（舉例來說）車載點煙器中。
[0093] 取決于基于處理器的系統(tǒng)1300執(zhí)行的功能，可將各種其它裝置耦合到處理器 1302。舉例來說，用戶接口 1306可耦合到處理器1302。用戶接口 1306可包含輸入裝置， 例如按鈕、開關(guān)、鍵盤、光筆、鼠標(biāo)、數(shù)字化器及手寫筆、觸摸屏、話音辨識系統(tǒng)、麥克風(fēng)或其 組合。顯示器1308也可耦合到處理器1302。顯示器1308可包含IXD顯示器、SED顯示器、 CRT顯示器、DLP顯示器、等離子體顯示器、0LED顯示器、LED顯示器、三維投影、音頻顯示器 或其組合。此外，RF子系統(tǒng)/基帶處理器1310還可耦合到處理器1302。RF子系統(tǒng)/基帶 處理器1310可包含耦合到RF接收器并耦合到RF發(fā)射器的天線（未展示）。一通信端口 1312或一個以上通信端口 1312也可耦合到處理器1302。通信端口 1312可經(jīng)調(diào)適以耦合 到例如調(diào)制解調(diào)器、打印機、計算機、掃描儀或相機等一個或多個外圍裝置1314,或耦合到 (舉例來說）例如局域網(wǎng)、遠(yuǎn)程區(qū)域網(wǎng)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或因特網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)。
[0094] 處理器1302可通過實施存儲于存儲器中的軟件程序而控制基于處理器的系統(tǒng) 1300。舉例來說，所述軟件程序可包含操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫軟件、繪圖軟件、字處理軟件、媒體 編輯軟件或媒體播放軟件。存儲器可操作地耦合到處理器1302以存儲并促進各種程序的 執(zhí)行。舉例來說，處理器1302可耦合到系統(tǒng)存儲器1316,所述系統(tǒng)存儲器可包含自旋扭矩 轉(zhuǎn)移磁性隨機存取存儲器（STT-MRAM)、磁性隨機存取存儲器（MRAM)、動態(tài)隨機存取存儲器 (DRAM)、靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM)、賽道存儲器及其它已知存儲器類型中的一或多者。 系統(tǒng)存儲器1316可包含易失性存儲器、非易失性存儲器或其組合。系統(tǒng)存儲器1316通常 較大，以使得其可存儲動態(tài)地加載的應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)。在一些實施例中，系統(tǒng)存儲器1316 可包含半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)（例如圖12的半導(dǎo)體裝置1200)、包含單元核心結(jié)構(gòu)600(圖6)、 700(圖7)、800 (圖8)、900 (圖9)、1000(圖10)、1100(圖11)或其組合中的任一者的存儲 器單元。
[0095] 處理器1302還可耦合到非易失性存儲器1318,此并不表明系統(tǒng)存儲器1316必 需為易失性的。非易失性存儲器1318可包含STT-MRAM、MRAM、只讀存儲器（ROM)(例如 EPROM)、電阻式只讀存儲器（RR0M)及待結(jié)合系統(tǒng)存儲器1316使用的快閃存儲器中的一或 多者。非易失性存儲器1318的大小通常選擇為剛好足夠大以存儲任何必需操作系統(tǒng)、應(yīng)用 程序及固定數(shù)據(jù)。另外，非易失性存儲器1318可包含高容量存儲器，例如磁盤驅(qū)動存儲器， 例如包含（舉例來說）電阻式存儲器或其它類型的非易失性固態(tài)存儲器的混合驅(qū)動器。非 易失性存儲器1318可包含半導(dǎo)體裝置結(jié)構(gòu)（例如圖12的半導(dǎo)體裝置1200)、包含單元核心 結(jié)構(gòu) 600(圖 6)、700(圖 7)、800(圖 8)、900(圖 9)、1000(圖 10)、1100(圖 11)或其組合中 的任一者的存儲器單兀。
[0096] 因此，本發(fā)明揭示一種包括至少一個磁性存儲器單元的自旋扭矩轉(zhuǎn)移磁性隨機存 取存儲器（STT-MRAM)系統(tǒng)，所述至少一個磁性存儲器單元包括磁性區(qū)，所述磁性區(qū)包括磁 性材料的多個子區(qū)。所述多個子區(qū)中的子區(qū)展現(xiàn)與所述多個子區(qū)中的另一子區(qū)所展現(xiàn)的另 一垂直磁性定向相反指向的垂直磁性定向。所述STT-MRAM系統(tǒng)還包括與所述至少一個磁 性存儲器單元可操作通信的至少一個外圍裝置。
[0097] 盡管易于對本發(fā)明的實施方案做出各種修改及替代形式，但特定實施例已以實例 方式展示于圖示中并已在本文中進行詳細(xì)描述。然而，本發(fā)明并非打算限于所揭示的特定 形式。而是，本發(fā)明涵蓋歸屬于由所附權(quán)利要求書及其合法等效內(nèi)容所界定的本發(fā)明范圍 內(nèi)的所有修改、組合、等效形式、變化形式及替代形式。
【權(quán)利要求】
1. 一種半導(dǎo)體裝置，其包括： 至少一個存儲器單元，所述至少一個存儲器單元包括： 磁性區(qū)，其包括磁性材料與耦合器材料的交替結(jié)構(gòu)，所述磁性區(qū)展現(xiàn)垂直磁性定向。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中磁性材料與耦合器材料的所述交替結(jié)構(gòu)包 括所述磁性材料的磁性子區(qū)及所述耦合器材料的耦合器子區(qū)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其中磁性材料與耦合器材料的所述交替結(jié)構(gòu)包 括所述磁性材料的至少三個磁性子區(qū)及所述耦合器材料的至少兩個耦合器子區(qū)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述磁性子區(qū)中的每一者通過所述耦合器 子區(qū)中的一者與所述磁性子區(qū)中的另一者間隔開。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述磁性子區(qū)中的每一者展現(xiàn)與所述磁性 子區(qū)中的相鄰磁性子區(qū)所展現(xiàn)的垂直磁性定向相反指向的垂直磁性定向。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述磁性子區(qū)中的每一者界定小于大約四 埃(4 A) (0.4 nm)的高度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述至少一個存儲器單元包括至少兩個磁 性區(qū)，所述至少兩個磁性區(qū)包括所述磁性區(qū)及另一磁性區(qū)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述至少兩個磁性區(qū)包括自由區(qū)及固定 區(qū)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述至少兩個磁性區(qū)中的至少兩者包括所 述耦合器子區(qū)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述至少兩個磁性區(qū)中的一者包括不同 于所述至少兩個磁性區(qū)中的另一者的數(shù)目個耦合器子區(qū)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述耦合器材料經(jīng)調(diào)配且經(jīng)定位以提供 與所述磁性材料的直接鄰近子區(qū)的魯?shù)侣?基特爾-柏谷-吉田RKKY相互作用。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述耦合器材料經(jīng)調(diào)配而以反鐵磁方式 耦合所述磁性材料的相鄰磁性子區(qū)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1到12中任一權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述磁性區(qū)不含鉬 及鈀。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1到12中任一權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述磁性材料基本 上由鈷組成。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1到12中任一權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體裝置，其中所述耦合器材料包 括釕及銠中的至少一者。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1到12中任一權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體裝置，其中： 所述至少一個存儲器單元包括一陣列中的多個存儲器單元；且 所述半導(dǎo)體裝置進一步包括與所述至少一個磁性存儲器單元可操作通信的至少一個 外圍裝置。
17. -種形成存儲器單元的方法，所述方法包括： 形成磁性區(qū)，包括： 形成展現(xiàn)垂直磁性定向的磁性子區(qū)； 在所述磁性子區(qū)上形成耦合器子區(qū)； 在所述耦合器子區(qū)上形成另一磁性子區(qū)，所述另一磁性子區(qū)展現(xiàn)與所述磁性子區(qū)所展 現(xiàn)的所述垂直磁性定向相反指向的另一垂直磁性定向；及 在所述另一磁性子區(qū)上形成另一耦合器子區(qū)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中形成磁性區(qū)包括形成所述存儲器單元的固定 區(qū)、所述存儲器單元的自由區(qū)及所述存儲器單元的參考區(qū)中的一者。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其進一步包括形成另一磁性區(qū)，包括形成通過額外 耦合器子區(qū)彼此間隔開的額外磁性子區(qū)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其進一步包括形成安置于所述磁性區(qū)與所述另一磁 性區(qū)之間的非磁性區(qū)。
【文檔編號】G11C11/15GK104395964SQ201380032769
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月19日
【發(fā)明者】韋恩·I·肯尼, 維托·庫拉, 斯蒂芬·J·克拉梅爾 申請人:美光科技公司